城市轨道交通集中UPS电源系统设置方案研究

2020-05-25王福鑫，黄幸福，郑侃

中小企业管理与科技·上旬刊 2020年2期

王福鑫，黄幸福，郑侃

【摘要】论文结合国内城市轨道交通集中UPS电源系统的应用现状和专业需求，对集中UPS电源系统设备选择和配置方式进行比较和分析，同时，对系统相关设备容量的计算方法进行阐述。

【Abstract】 Combined with the application status and professional demand of centralized UPS power supply system in domestic urban rail transit， this paper compares and analyzes the equipment selection and configuration mode of centralized UPS power supply system， and expounds the calculation method of the capacity of related equipment of the system.

【关键词】轨道交通;集中UPS;设置方案;蓄电池

【Keywords】rail transit; centralized UPS; setup scheme; battery

【中图分类号】 U231 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）02-0194-03

1 引言

不间断电源设备（UPS）作为城市轨道交通设备系统的重要组成部分，可以持续进行高质量供电。集中UPS电源系统具有过载能力强、设备布置集中、占地面积小、利于运营管理和节能降耗、综合投资和维护成本低、技术优势显著等优点，被城市轨道交通广泛应用并已成为UPS电源系统的重要发展方向。论文对城市轨道交通集中UPS电源系统的设计方案和应用进行分析和总结。

2 UPS配置类型

UPS由整流器、逆变器、转换开关、储能装置及控制系统组成，UPS配置主要有以下三种类型[1]。

2.1 双变换（在线式）UPS

逆变器持续处在工作状态，正常状态下由整流器/逆变器给负载供电，整流器对蓄电池组浮充电。当输入供电超出预定允差，由蓄电池组和逆变器组合持续供电。UPS开关采用静态开关，切换时间微秒级，电源输出波形为交流正弦波，稳定且精度高。

2.2 在线互动式UPS

正常状态下，输入电源通过稳压装置向负载供电，逆变器反向工作，对蓄电池组充电。当输入供电异常时，逆变器实现逆变工作状态，由蓄电池组和逆变器持续供電。电源输出波形为模拟交流正弦波，切换时间小于4ms，稳频性能不理想。

2.3 后备式UPS

工作原理类似于EPS，正常状态下，输入旁路通过稳压装置供电。当输入电源异常时，紧急切换至蓄电池组/逆变器组合保持负载功率的持续性。UPS结构简单，电源输出波形为交流方波，切换时间为4～10ms，适合供电质量要求不高的非关键场所。

由于城市轨道交通设备系统负荷对供电质量要求高，集中UPS电源应采用双变换（在线式）UPS，工作原理如图1所示。

图1 在线UPS工作原理

3 UPS的性能对比

根据整流工作模式等方案的不同，目前行业内形成工频型UPS、高频型UPS及模块化UPS的三种发展趋势。

工频型UPS采用SCR（可控硅）整流器、IGBT逆变器和隔离变压器的设计方案。由于可控硅的过流能力强（10In，20ms），直流母线电压低，且采用隔离变压器，可有效避免负载短路冲击和降低零地电压，可靠性高。由于采用可控硅及隔离变压器，增大损耗，效率低于高频机。工频型UPS的制造工艺成熟，应用广泛，故障率低。

高频型UPS整流器采用升压型脉宽调制IGBT技术，开关频率在几千至几万赫兹，远高于工频机。直流母线电压可达800～1000V，故蓄电池组须通过电池变换器PFC接入母线，若逆变器功率器件发生短路，则母线高电压对负载会有冲击。近年来，IGBT制造技术已取得较大进步，高频型UPS可靠性也相应提高并得到认可。

模块化UPS采用高频化结构技术，可以冗余并联，扩展灵活，能够实现在线热插拔和热更换，适合中等以上规模不间断电源供电方案，如表1所示。

4 集中UPS电源系统设置方案

4.1 系统整合范围

城市轨道交通设备系统负荷在车站及控制中心分布相对集中，可采用集中设置UPS方案，车辆段的停车场由于负荷分散，供电范围大，不适合设置集中UPS。

根据地铁设备负荷分级和供电要求，专用通信系统设备、BAS设备、FAS设备同为一级负荷中特别重要负荷，须设置一套集中UPS，综合监控系统设备、门禁系统设备、AFC系统设备、PIS、供电可视化接地系统主机、环控柜等一级负荷采用另一套集中UPS电源系统供电。为保证信号系统设备的安全独立性、民用通信和公安通信系统设备的维护便利，宜各自设置UPS。变电所由于存在冲击负荷（随机5s），独立设置交直流一体化电源。屏蔽门系统主要为非线性负载，独立设置后备电源。应急照明系统对供电质量要求低，设置EPS供电。

4.2 系统设置方案

国内城市轨道交通集中UPS电源系统常用方案有三种：UPS单机系统、并机冗余系统和并机双总线系统。

4.2.1 UPS单机系统

UPS单机系统方案由单UPS和单蓄电池组构成。当一路进线故障，由ATS切换到另一路进线电源供电。两路进线或整流器故障时由蓄电池组经逆变器供电，并通过分时下电功能满足各专业后备时间需求。当逆变器或智能控制单元故障则切换至静态旁路维持供电。

单机系统结构简单，维护方便，可靠性低，电源系统故障影响面较大。深圳、南宁、长春、成都等城市轨道交通线路采用单机系统方案。

4.2.2 并机冗余系统

并机冗余系统方案采用双UPS和双蓄电池组，为避免压差形成环流，影响蓄电池寿命，两组蓄电池间不设开关，各自承担50%负载后备时间供电。

并机冗余系统电源方案运行方式比较复杂，当一路进线故障，由ATS切换到另一路进线电源供电，两路进线电源均故障，由蓄电池组经逆变器供电;当其一UPS逆变器故障，由另一UPS承担全部负荷供电，若过载则切换到静态旁路;当其一UPS整流器故障，则故障UPS先通过蓄电池组放电，放电结束后，由另一UPS承担全部负荷供电，若过载则切换到静态旁路;当两台UPS逆变器均故障、两套智能控制单元均故障或其一UPS逆变器故障，另一UPS整流器故障时，切换至静态旁路维持供电;当UPS整流器均故障，则蓄电池组供电，放电结束切换至静态旁路维持供电。

并机冗余系统方案相对单机方案供电可靠、造价高。北京、武汉、广州、青岛、济南、长沙、杭州、厦門、成都控制中心等大部分城市轨道交通线路采用此方案。

4.2.3 并机双总线系统

并机双总线系统供电方案系统复杂，UPS相互独立，可靠性极高，造价高，适用于大型数据中心等关键场所。轨道交通行业中上海、广州部分地铁线路采用过此方式，运行方式与单机系统类似，详细过程不再赘述。

5 蓄电池组配置

5.1 蓄电池选型

目前，轨道交通行业UPS电源系统除上海地铁采用磷酸铁锂电池外，多采用阀控式铅酸蓄电池或胶体蓄电池。磷酸铁锂电池体积小、比能量大、寿命长且绿色环保，但造价高，成本为铅酸电池的2～3倍。阀控式密封铅酸蓄电池应用广泛，有较强的高倍率放电能力，故障时内部压力增大，存在安全风险。胶体电池仍属于贫液式铅酸电池，在铅酸电池基础上加入气相SiO2 、凝胶剂等制成，板栅材质多采用酚醛树脂或PVC。

胶体蓄电池设计寿命较铅酸蓄电池长且使用安全，同等容量下采用2V蓄电池，空间需求大，配套的监测设备多，综合造价高，维护工作量大。此外，UPS蓄电池组并联组数不应超过4组，故蓄电池容量400Ah以下的UPS电源系统宜采用12V蓄电池，即车站和控制中心集中UPS电源系统宜分别选择12V和2V胶体蓄电池。蓄电池对比如表2所示。

表2 蓄电池对比表

5.2 蓄电池组容量设置

集中UPS蓄电池容量计算方法不同于变电所直流电源蓄电池采用的阶梯计算法，常用电流计算法、恒电流法、恒功率法及电源计算法。

例如，采用恒电流算法时，应先计算蓄电池的最大放电电流值：

I=■

在这公式中，P（VA）为UPS容量，Pf为UPS输出功率因数，N为UPS标称电池电压的节数，I为UPS最大放电电流，V为蓄电池组临界放电电压，η为逆变器转换效率。

设计时依据不同专业负荷依次计算不同后备时间最大放电电流，通过计算结果查找蓄电池的恒电流放电系数表，由此确定蓄电池型号及组数。

5.3 蓄电池组管理方案

蓄电池组宜配置在线监测系统，对蓄电池组相关指标进行实时监测并与UPS监测数据同时上传至综合监控或智能运维系统，以便运营统一管理。在线均衡系统除能够实现在线监测功能外，还能对电池组进行大电流的充放电，实现蓄电池组的在线均衡和活化。由于目前尚无标准明确在线均衡功能的相关指标，效果有待实际验证。

6 结语

城市轨道交通作为城市发展的重要基础设施，设备系统稳定运行是其安全运营的重要保障。采用合理、经济的集中UPS电源系统配置方案将有利于地铁设备系统的稳定运行、资源配置整合及节能降耗。

【参考文献】